蘇暉

[摘 要]隨著現(xiàn)代社會工業(yè)的發(fā)展，二氧化碳導(dǎo)致的溫室效應(yīng)越來越受到人類的重視。火電廠作為二氧化碳排放大戶，如何減少電廠二氧化碳的排放成為焦點。本文首先詳細闡述了燃煤電廠二氧化碳捕集技術(shù)路線：燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集和二氧化碳捕集方法：物理吸附法、物理吸收法、化學吸收法、膜分離法、低溫蒸餾法等，隨后介紹了二氧化碳運輸技術(shù)以及二氧化碳的存儲技術(shù)：地質(zhì)儲存、海洋儲存、儲液站儲存、固態(tài)儲存和礦物碳化儲存技術(shù)，最后對現(xiàn)況進行分析，提出了制約該項技術(shù)發(fā)展的原因。

[關(guān)鍵詞]碳減排、二氧化碳捕集、二氧化碳運輸、二氧化碳儲存

中圖分類號：X55 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）11-0342-02

一、 研究目的及意義

隨著現(xiàn)代社會工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境問題已經(jīng)成為人類關(guān)注的焦點，由于大量排放二氧化碳導(dǎo)致的溫室效應(yīng)便是其中重要的一環(huán)，其帶來的危害已經(jīng)為各國政府高度關(guān)注。我國政府承諾到2020年碳排放強度比2005年降低40-45%，足可見我國對控制二氧化碳排放的決心之大。但當前我國的能源領(lǐng)域面臨著多方挑戰(zhàn)，能源消費增長迅速，且現(xiàn)階段我國的能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，世界一多半的煤炭為中國所用，中國60%多的煤炭用于發(fā)電，因此控制燃煤電廠二氧化碳的排放是我國碳減排的關(guān)鍵，研究電廠二氧化碳捕集運輸和儲存技術(shù)顯得舉足輕重。

二、 二氧化碳的捕集技術(shù)路線及方法分析

燃煤電廠對燃料燃燒不同階段產(chǎn)生的二氧化碳的捕集分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集三條技術(shù)路線?，F(xiàn)階段捕集方法主要有物理吸附法、物理吸收法、化學吸收法、膜分離法、低溫蒸餾法等，使用何種捕集方法取決于二氧化碳氣體的濃度、壓力、溫度，不同類型發(fā)電機組以及不同技術(shù)路線會選用不同的捕集方法。

2.1 二氧化碳捕集技術(shù)路線現(xiàn)狀分析

2.1.1 燃燒前捕集：燃燒前捕集技術(shù)主要應(yīng)用在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC），IGCC的工藝流程主要為：氮氣作為動力氣源帶動燃煤進入氣化爐，與空分系統(tǒng)分離送出的純氧在氣化爐內(nèi)發(fā)生高壓富氧反應(yīng)，生成有效成分主要為一氧化碳和氫氣的混合氣體，隨后，在催化轉(zhuǎn)換器中經(jīng)過水煤氣變換后，促使一氧化碳轉(zhuǎn)換為二氧化碳并進一步產(chǎn)生氫氣，混合氣體中二氧化碳被捕集分離，氫氣經(jīng)過凈化作為清潔的氣體燃料送入燃氣輪機用于燃燒。燃燒前捕集技術(shù)的優(yōu)點是由于混合氣體的壓力較高，可以生成濃縮的二氧化碳氣流，不用加壓便能滿足壓縮機對管道內(nèi)輸送氣體壓力的要求，減少能耗，同時高濃度的二氧化碳氣體有利于捕集和利用，該技術(shù)還具有捕集系統(tǒng)小、捕集效率高以及對污染物的控制方面有很大潛力的優(yōu)點，缺點是IGCC技術(shù)仍面臨初期投資成本高、可靠性不高的問題，并且由于二氧化碳捕集系統(tǒng)需使用蒸汽以及壓縮機需使用額外功率會導(dǎo)致IGCC面臨發(fā)電成本增加40%、效率降低22%的問題。該技術(shù)常采用物理溶劑吸收方法和膜分離法來捕集二氧化碳。

2.1.2 燃燒后捕集：燃燒后捕集顧名思義是在燃料燃燒后產(chǎn)生的煙氣中進行二氧化碳捕集的技術(shù)。由于電廠煙氣中二氧化碳的濃度相對較低，該技術(shù)路線一般采用化學吸收法并需要使用強力溶劑。該技術(shù)的優(yōu)點是只需對現(xiàn)有燃煤機組加以改造加裝二氧化碳捕集裝置即可，不需要對機組的結(jié)構(gòu)進行大面積的調(diào)整，適合運行機組改造，并且該種技術(shù)是一種成熟的技術(shù)，缺點是由于煙氣中二氧化碳的濃度較低，二氧化碳的捕集費用相對較高，同時還面臨溶劑再生需要消耗大量能量的問題。燃燒后捕集技術(shù)還可使用物理吸附法、膜分離法和低溫蒸餾法捕集二氧化碳。

2.1.3 富氧燃燒捕集：富氧燃燒捕集顧名思義就是化石燃料在燃燒的過程中助燃劑是純氧而非空氣，這樣燃料燃燒完畢煙氣中主要含有二氧化碳和水蒸氣，只有少量的二氧化硫、碳氧化物等雜質(zhì)，把煙氣進行脫硫、脫硝及除塵后進行冷卻，除去其中的水蒸氣便可得到高純度的二氧化碳，純度能夠達到80%至98%，少量煙氣再循環(huán)進入燃燒室，目的是控制火焰溫度，防止燃料在純氧中燃燒時溫度過高，并且提高了煙氣中二氧化碳的體積比。此種技術(shù)的優(yōu)點是捕集成本低；由于沒有氮氣參與燃燒，煙氣中氮氧化物的含量大大降低；由于是富氧燃燒，可以降低燃料的消耗量，提高熱效率，缺點是燃燒需要在富氧的環(huán)境下進行，制備高純度氧的能耗很高；燃燒室需要改造；該種技術(shù)面臨的問題很多，如煙氣再循環(huán)的參入量、氧量變化造成鍋爐燃燒調(diào)節(jié)的改變等，該種技術(shù)尚不成熟，處于示范階段。

綜上所述，三種二氧化碳捕集技術(shù)路線各有特點，燃燒前捕集技術(shù)占用場地小、捕集效率高但初期投資成本高，適用于IGCC電廠；燃燒后捕集技術(shù)對已建電廠改造難度小、技術(shù)相對成熟但捕集成本高；富氧燃燒捕集成本低但制氧能耗高、技術(shù)不成熟，燃燒后捕集和富氧燃燒捕集技術(shù)路線主要適用于傳統(tǒng)以化石能源為燃料的電廠，并適合老廠改造。現(xiàn)階段，三種技術(shù)路線均未達到商業(yè)化的程度，只處于實驗室階段或有少量的示范項目。

2.2 二氧化碳捕集方法介紹

2.2.1 物理吸收法

物理吸收法是利用有機溶劑在高壓下對二氧化碳的吸收量增大的機理實現(xiàn)的，通過對有機溶劑降壓便可以釋放二氧化碳，還原溶劑。此種方法能耗較低，要求有機溶劑具有對二氧化碳的溶解度隨壓力變大增速明顯、沸點高、選擇性好、無毒、穩(wěn)定性好等特點。常用的物理吸收溶劑有聚乙二醇二甲醇、甲醚、環(huán)丁砜、三乙醇胺和碳酸丙烯酯。

2.2.2 化學吸收法

化學吸收法在化工行業(yè)是一種常見的方法，一般二氧化碳的吸收溶劑為有機胺的水溶液。研究發(fā)現(xiàn)水對乙醇胺吸收二氧化碳的能力有提升作用，沒有水的存在，1mol乙醇胺只能吸收0.5mol二氧化碳，水存在的情況下，1mol乙醇胺能吸收1mol二氧化碳。醇胺類化學吸收法的優(yōu)點為技術(shù)成熟、吸收量大、選擇性高并能同時吸收硫化氫和氮氧化物等有害氣體；缺點為吸收溶劑再生困難，需要消耗較高能量；對設(shè)備易腐蝕；在富氧的環(huán)境下，吸收性能大幅降低等。

2.2.3 物理吸附法

物理吸附法是利用固體吸附劑對二氧化碳進行選擇性吸附的原理，脫除煙氣中的二氧化碳，吸附法分為變溫吸附法和變壓吸附法。固體吸附劑表面的孔徑大小、孔容和極性以及吸附材料分子量、分子大小、極性決定了該吸附劑的吸附能力，此種方法比吸收法具有吸附過程需要能量少的優(yōu)點，并且由于吸附過程是放熱過程，吸附劑需要通過加熱還原再生。物理吸附法對二氧化碳的捕集成本與吸收法大致相當，但其對二氧化碳的吸附量和選擇性要更好，并且吸附劑的還原需要的能量較低，操作簡單，相比吸收法更具有市場價值，缺點是進行二氧化碳捕集前需要將混合氣體冷卻、干燥，以及除去易使吸附劑中毒的氣體，并且存在二氧化碳回收率不高以及吸附劑選擇性的問題。常用的吸附劑有天然沸石、分子篩、活性氧化鋁、硅膠和活性炭等。

2.2.4 膜分離法

膜分離法是利用部分氣體無法穿透薄膜的原理對氣體進行分離，此法的驅(qū)動力是膜兩側(cè)的壓差，當差壓達到一定值時，能夠穿透薄膜的氣體會透過薄膜，捕集氣體會留在膜內(nèi)。薄膜的氣體選擇性、壓力比、穿透氣流和總氣流的流量比決定了此薄膜的二氧化碳捕集能力。此方法在分離工業(yè)合成氨尾氣、煉油尾氣等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用，但是由于電廠煙氣流量大，需要膜的面積很大，投資成本高。用于捕集二氧化碳的薄膜有醋酸纖維膜、聚苯醚膜、乙基膜、聚砜膜、溴磺化聚環(huán)氧丙烷膜、沸石礦物膜等。

2.2.5 低溫蒸餾法

低溫蒸餾法是利用不同氣體的冷凝點不同而進行氣體分離的，系統(tǒng)一般由壓縮機、焦耳湯普森閥、多級熱交換器和膨脹機組成，系統(tǒng)中設(shè)有不同溫度的冷阱，以此來捕集不同冷凝點的氣體。由于低溫蒸餾法是在液態(tài)的形態(tài)下捕集到的二氧化碳，為運輸和儲存提供便捷；該方法同時還能減少水的消耗、化學試劑的使用量以及有效解決設(shè)備腐蝕等問題，缺點是設(shè)備龐大、能耗大、煙氣中的粉塵易阻塞設(shè)備等，此方法一般用于分離高濃度的二氧化碳，常用于分離油田伴生氣中的二氧化碳。

2.2.6 二氧化碳捕集新方法

所謂的二氧化碳捕集新方法是指尚在實驗室研究階段，技術(shù)尚未成熟的方法，主要有化學循環(huán)捕集法和二氧化碳水合分離法。

上述幾種二氧化碳的捕集方法各有千秋，需要根據(jù)捕集技術(shù)路線選擇合適的捕集方法或幾種捕集方法的集合，電廠的二氧化碳捕集方法大多尚在實驗室或示范階段，需要進一步研究論證。

三、 二氧化碳的運輸與儲存技術(shù)分析

3.1 二氧化碳運輸技術(shù)

二氧化碳經(jīng)捕集、壓縮形成超臨界流體或液體，通過鐵路、船舶、管道等輸送工具運至目的地的過程稱為二氧化碳的運輸。當運輸距離較遠時（大于1000千米）管道運輸?shù)某杀咀畹?，并且管道運輸是一項成熟的商業(yè)化技術(shù)，其成本取決于管道的長度、直徑、二氧化碳的壓力和地質(zhì)特點。

3.2 二氧化碳儲存技術(shù)

二氧化碳的存儲技術(shù)分為地質(zhì)儲存、海洋儲存、儲液站儲存、固態(tài)儲存和礦物碳化儲存技術(shù)。

地質(zhì)儲存技術(shù)是把超臨界狀態(tài)的二氧化碳灌入油田、氣田、無法開采的煤層、深鹽水層進行儲存，這些地層必須由巖石密封，并且相對二氧化碳來說是不可滲透的。把二氧化碳注入油田或氣田存儲二氧化碳的同時用以驅(qū)動采油或氣，可以提高30%至60%的石油產(chǎn)量；注入無法開采的煤礦可以把煤層中的煤層氣驅(qū)趕出來，增加煤層氣采集率；深鹽水層儲存技術(shù)由于儲存容量大具有最大的潛力，該方法已于1996年一家挪威的能源公司投入商業(yè)運行。

海洋儲存技術(shù)是把二氧化碳輸送到海洋600米深度以下的區(qū)域，在此深度由于水的壓力能夠把二氧化碳轉(zhuǎn)換為液體，當儲存深度達到3000米、溫度低于10攝氏度時，液態(tài)二氧化碳的密度會大于水的密度，并在表面形成粘稠狀薄膜，防止二氧化碳擴散。此種技術(shù)可能會改變海洋的PH值，其對環(huán)境的危害程度未知，此種技術(shù)還在探索階段。

儲液站儲存技術(shù)是把捕集到的二氧化碳進行凈化、干燥等處理后冷卻形成高壓、低溫的液態(tài)二氧化碳，具有效率高、氣體純度高、儲量大的特點。

固態(tài)存儲技術(shù)是把二氧化碳先高壓壓縮形成液態(tài)二氧化碳，然后高壓低溫冷卻形成干冰儲存，由于其生產(chǎn)工藝困難且儲存條件費用高，此項技術(shù)并不常用。

礦物碳化技術(shù)儲存二氧化碳是一項新興技術(shù)，技術(shù)原理是將二氧化碳礦物碳化固定與含方英石雜質(zhì)的鈣基膨潤土深加工相結(jié)合，利用鈣基膨潤土容易通過離子交換形成碳酸鈣以及堿法分離方英石過程中容易形成吸收二氧化碳溶液的特點，實現(xiàn)吸收固定二氧化碳，但其預(yù)期成本遠高于其他存儲方法，不適合開展利用。

四、 結(jié)束語

現(xiàn)階段，制約二氧化碳捕集存儲技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于技術(shù)不成熟和高昂成本問題，研究開發(fā)成熟、高效、低成本的二氧化碳捕集儲存技術(shù)將是未來發(fā)展的方向。本文通過對現(xiàn)有的二氧化碳的捕集、運輸及儲存技術(shù)進行闡述，為未來該技術(shù)在電廠的成熟應(yīng)用提供理論依據(jù)。

參考文獻

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